半固态注射成型SiC_p/AZ37镁合金复合材料的低周疲劳性能：工艺、结构与性能的协同作用

半固态注射成型SiC_p/AZ37镁合金复合材料的低周疲劳性能：工艺、结构与性能的协同作用

镁合金因其轻质、高比强度等特性，在航空航天和汽车领域备受关注，但其强度、耐高温性及疲劳性能的不足限制了更广泛的应用。通过引入增强相（如SiC颗粒）制备镁基复合材料，是提升其综合性能的有效途径。近期，周丽萍等学者在《机械工程材料》发表的研究中，采用半固态注射成型技术制备了不同SiC_p含量的AZ37镁基复合材料，系统探究了增强相含量对材料显微组织、拉伸性能和低周疲劳行为的影响。本文基于该研究，从工艺-结构-性能关联的角度进行解读。

1. 半固态注射成型工艺的优势

传统镁合金复合材料制备常面临增强体分布不均、界面结合差等问题。该研究采用的半固态注射成型技术，结合半固态铸造与注射成型的优点，将镁合金加热至半固态区间（560~630℃），加入预热SiC颗粒后注射成型。此工艺避免了完全熔化的高能耗，同时通过半固态浆料的流动性确保增强体均匀分散，减少氧化物夹杂（下图）。研究表明，该方法能显著细化基体晶粒（初生α-Mg直径从20~60 μm降至10~20 μm），并抑制β-Mg17Al12析出相的生成，为材料性能优化奠定结构基础。

2. SiC_p含量对拉伸性能的双刃剑效应

随着SiC_p添加量从0%增至12%，复合材料表现出显著的性能变化（下表）：

-强度与刚度的提升：屈服强度（158 MPa→206 MPa）和弹性模量（42 GPa→51 GPa）随SiC_p含量增加而提高。这是由于SiC颗粒的“钉扎效应”细化晶粒，并通过强界面结合将载荷从软基体转移至硬质增强体。

-塑性的下降：断后伸长率从13.0%骤降至3.9%，抗拉强度亦小幅降低。基体与SiC颗粒的变形不协调导致界面位错堆积，引发应力集中和早期裂纹萌生。

断裂模式的转变进一步印证了上述机制：未添加SiC_p的AZ37合金断口呈现韧性断裂特征（韧窝和剪切带），而12% SiC_p的复合材料断口则以解理面为主，表现为脆性断裂（下图）。这说明SiC_p的引入虽强化材料，却以牺牲塑性为代价。

3. 低周疲劳性能的非单调变化：从延寿到失效加速

低周疲劳性能是材料在循环载荷下抗损伤能力的关键指标。研究发现：

- 5% SiC_p时疲劳寿命延长：适量SiC颗粒通过阻碍裂纹扩展路径，延长疲劳寿命（从6280周次增至10219周次）。

-12% SiC_p时寿命骤降60%：过量SiC_p导致界面应力集中加剧，裂纹更易在颗粒/基体界面处萌生并快速扩展（下图）。此时，增强体反而成为疲劳失效的“短板”。

循环响应机制方面，所有材料均呈现“初始软化→后期硬化”行为（下图）。软化源于位错重组与残余应力松弛，硬化则与晶界面积增加、SiC_p阻碍位错运动有关。值得注意的是，高SiC_p含量材料的硬化程度更高，但过度的界面损伤最终加速了失效。

4. 对材料设计的启示

该研究揭示了SiC_p含量对镁基复合材料性能的复杂影响：

1.工艺优化：半固态注射成型可实现增强体均匀分布，是制备高性能复合材料的关键。

2.性能平衡：需在强度与塑性、疲劳寿命与界面稳定性之间权衡。例如，5% SiC_p的复合材料在强度和疲劳寿命间取得较好平衡。

3.界面工程：未来可通过表面改性（如SiC颗粒涂层）改善界面结合强度，减少应力集中，进一步提升综合性能。

结语

周丽萍等的研究为镁基复合材料的开发提供了重要参考，凸显了增强体含量对材料性能的非线性影响。通过工艺与成分的协同优化，镁基复合材料有望在轻量化与高可靠性需求领域实现更广泛应用。未来研究可进一步探索多尺度增强体（如纳米SiC与微米SiC协同）或新型界面设计策略，以突破现有性能瓶颈。

参考文献

[1] 周丽萍等. 半固态注射成型SiC_p/AZ37镁合金复合材料的低周疲劳性能[J]. 机械工程材料, 2025, 49(1): 16-22.

[2] Yang Y, et al. Research advances of magnesium and magnesium alloys worldwide in 2022[J]. Journal of Magnesium and Alloys, 2023, 11(8): 2611-2654.